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1、目录一 设计目的1二 设计任务1三 设计内容与要求1四 设计资料及有关规定五 设计成果要求5.2课程设计方案的选择35.2.1整流电路35.3主电路的设计55.3.1系统总设计框图55.3.4晶闸管基本参数85.3.4.1 动态特性85.3.4.2晶闸管的主要参数说明95.3.4.3晶闸管的选型115.3.5变压器的选取115.3.6 性能指标分析125.4触发电路和保护电路的设计125.4.1触发电路125.4.2保护电路的设计135.4.2.1 主电路的过电压保护电路设计135.4.2.2主电路的过电流保护电路设计145.4.2.3电流上升率、电压上升率的抑制保护155.6设计总结16单相
2、全控晶闸管整流电路课程设计一 设计目的（1）培养综合应用所学知识，并设计出具有电压可调功能的直流电源系统的能力；（2）较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌整流电路设计的基本方法。（3）培养独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；（4）培养分析、总结及撰写技术报告的能力。二 设计任务（1）进行设计方案的比较，并选定设计方案； （2）课程设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明 主电路元器件的计算和选型，以及控制电路的设计；（3）完成主电路的原理分析，各主要元器件的选择；（4）完成驱动电路的设计，保护电路的设计；三 设计内容与要求负载为电阻电感性负载：L=700mH,
3、R=500欧姆技术要求：电网供电电压为单相220V，50赫兹，输出电压为100V, 输出功率为1000W设计技术要求：（1）电源电压：交流100V/50Hz（2）输出功率：500W；（3）移相范围：090度。四 设计资料及有关规定使用的元器件要求为：负载为220V、305A的直流电机，采用三相整流电路，交流测由三相电源供电, 续流二极管,电感，电容，二极管，金属模电阻，三极管，触发电路KJ004，平波电抗器，运算放大器，功率电阻，220V和380V变压器。五、设计成果要求5.1 课程设计要求 1、单相桥式相控整流的设计要求为： 负载为感性负载,L=700mH,R=500欧姆.2、技术要求: 1
4、)、电源电压：交流100V/50Hz2)、输出功率：100W3)、移相范围090 5.2课程设计方案的选择5.2.1整流电路 单相相控整流电路可分为单相半波、单相全波和单相桥式相控流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。而负载性质又分为带电阻性负载、电阻-电感性负载和反电动势负载时的工作情况。单相桥式全控整流电路（电阻-电感性负载）电路简图如下：图2.1此电路对每个导电回路进行控制，与单相桥式半控整流电路相比，无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直
5、流磁化问题，变压器的利用率也高。单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。 单相全控桥式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半，且功率因数提高了一半。根据以上的分析，我选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为电阻-电感性负载）。5.2.2元器件的选择5. 2.2.1晶闸管晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型
6、器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型-普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。 1）晶闸管的结构晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。2）晶闸管的工作原理图晶闸管由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个结J1（P1N1）、J2（N1P2）、J3（P2N2），并分别从P1、P2、N2引入A、G、K三个电极，如图1.2(左)所示。由于具有扩散工艺，具有
7、三结四层结构的普通晶闸管可以等效成如图2.3（右）所示的两个晶闸管T1（P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）组成的等效电路。 图2.3 晶闸管的内部结构和等效电路3）晶闸管的门极触发条件（1）: 晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）：晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；（3）：晶闸管一旦导通门极就失去控制作用；（4）：要使晶闸管关断，只能使其电流小到零一下。晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流的电路称为门极触发电路。也正是由于能过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件。只有门极触发是最
8、精确、迅速而可靠的控制手段。5.2.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管简称GTO可关断晶闸管的工作原理GTO的导通机理与SCR是完全一样的。 GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的，在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 GTO在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流（即抽出饱和导通时储存的大量载流子），强烈正反馈使器件退出饱和而关断。晶闸管具有驱动简单5.3主电路的设计5.3.1系统总设计框图系统原理方框图如3.1所示：保护电路负载电路整流电路驱动电路单相电源输出 图3.1系统原
9、理方框图 5.3.2系统主体电路原理及说明图3.2阻感性负载电路（a）工作波形（b）假设 ，工作于稳定状态，负载电流连续，近似为一平直的直线。(1) 工作原理 在电源电压正半周期间，VT1、VT2承受正向电压，若在时触发，VT1、VT2导通，电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路，但由于大电感的存在，过零变负时，电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通，直到VT3、VT4被触发导通时，VT1、VT2承受反相电压而截止。输出电压的波形出现了负值部分。在电源电压负半周期间，晶闸管VT3、VT4承受正向电压，在时触发，VT3、VT4导通，VT1、VT2受反相电压截止，负载电流从VT1、VT2
10、中换流至VT3、VT4中在时，电压过零，VT3、VT4因电感中的感应电动势一直导通，直到下个周期VT1、VT2导通时，VT3、VT4因加反向电压才截止。值得注意的是，只有当时，负载电流才连续，当时，负载电流不连续，而且输出电压的平均值均接近零，因此这种电路控制角的移相范围是。（1）输出电压平均值和输出电流平均值 (3-2-1) (3-2-2)（2）晶闸管的电流平均值和有效值 (3-2-3) (3-2-4)（3）输出电流有效值I和变压器二次电流有效值 (3-2-5) （4）晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压均为 5.3.3原理图的分析该电路主要由四部分构成，分别为电源，过电保护电路，整流电路和
11、触发电路构成。输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路，保证电路出现过载或短路故障时，不至于伤害到晶闸管和负载。在电路中还加了防雷击的保护电路。然后将经变压和保护后的信号输入整流电路中。整流电路中的晶闸管在触发信号的作用下动作，以发挥整流电路的整流作用。在电路中,过电保护部分我们分别选择的快速熔断器做过流保护,而过压保护则采用RC电路。这部分的选择主要考虑到电路的简单性，所以才这样的保护电路部分。整流部分电路则是根据题目的要求，选择的我们学过的单相桥式整流电路。该电路的结构和工作原理是利用晶闸管的开关特性实现将交流变为直流的功能。触发电路是由设计题目而定的，题目要求了用单结晶体管直接触发电路。
12、单结晶体管直接触发电路的移相范围变化较大，而且由于是直接触发电路它的结构比较简单。一方面是方便我们对设计电路中变压器型号的选择。5.3.4晶闸管基本参数5.3.4.1 动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的
13、时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。图6.7 晶闸管的开关特性（2）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一
14、个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。5.3.4.2晶闸管的主要参数说明：1、额定电压UTn通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 UTn =（23）UTM UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 2、额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。ITn ：
